DE1806432A1 - Abstandhaltegitter fuer Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

Patentanwalt·

Dlpl.-Ing. Π.Boetx U. 410-14.019P( 14.020H) :>1 1O.19»>8

Dipl.-Ing. Umprecht
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Abstandhaltegitter für Kernreaktor-Brennstoffelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abstandhaltegitter für ein Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einem lockeren Bündel von Stäben mit spaltbarem oder Brutmaterial besteht, die in ein Gehäuse eingebaut und durch zwei starke Endroste gehalten sind. Die starren Roste gewährleisten einen gleichmäßigen £,^e^^enseitigen Abstand zwischen den Stäben, außerdem sind zwischen diesen Rosten in gleichmäßigen Abständen Abstandhaltegitter angeordnet, die einer Verformung der Stäbe entgegenwirken sollen.

Kan hat bereits zahlreiche unterschiedliche Ausführungs- i formen für die Abstandhaltegitter derartiger Brennstoffelemente benutzt; die bekannten Ausführungen haben jedoch im allgemeinen den großen Nachteil, daß sie nur eine ungenügende Anzahl von Berührungspunkten mit den Brennstoffelementstäben haben, so daß Schwingungen und Verformungen dieser Stäbe nicht vollkommen unterbunden werden. Sowohl durch Schwingungen als auch durch Verformungen ergibt sich eine örtliche Verringerung des Durchtrittsquerschnitts für das Kühlmedium zwischen den Stäben, was

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zu Überhitzungen des Stabmaterials führen kann, die der mechanisehen Festigkeit des Brennstoffelementes abträglich sina und selbst zu einer Zerstörung der Elememtstäbe durch Schmelzen führen können.

Die bekannten Abstandhaltegitter bringen außerdem einen hohen Strömungswiderstand für die Kühlmittelströmung mit sich und die Druckverluste, die sich daraus ergeben, sind ebenfalls nachteilig für das einwandfreie Verhalten des Brennstoffelements.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile-weitgehend zu beheben und ein Abstandhaltegitter zu schaffen, das nachgiebig ist, einerseits einen sehr kleinen Strömungswiderstand für das Kühlmedium ergibt und andererseits zahlreiche Berührungspunkte mit den Stäben aufweist, Berührungspunkte, die an diesen Stäben sowohl an ihrem Umfang als auch in ihrer Länge gleichmäßig verteilt sind; dadurch wird eine wirksame Dämpfung der durch den KUhlmediumumlauf verursachten Schwingungen oder Vibrationen und der Verformungen während der Bestrahlung erzielt. Die Lebensdauer des Brennstoffelements kann auf diese Weise erheblich verlängert v/erden.

Erfindungsgemäß ist das Abstandhaltegitter, das diese Aufgabe löst, gekennzeichnet durch zumindest einen die Elementstäbe umgebenden Rahmen, der wenigstens eine Lage von parallelen Schraubenfedern enthält, deren Windungen die Stäbe berühren»

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der Rahmen aus vier gelochten Platten, welche durch abgerundete

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Viinkelprbfile verbunden sind, vobei die zueinander parallelen Schraubenfedern in zwei einander gegenüberliegenden Platten festgelegt sind.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umgibt der Rahmen mehrere übereinander liegende Lagen von die Stäbe be_T rührenden Schraubenfedern; die Schraubenfedern der aufeinanderfolgenden Lagen sind abwechselnd in zwei zueinander senkrechten Richtungen geführt und die Schraubenwindungen der " Schraubenfedern, die in gleicher Richtung verlaufen, sind um eine hr.lbe Gangteilung gegeneinander versetzt.

Die Ganghöhe der Schraubenfedern ist vorzugsweise gleich den Abstand zwischen den Achsen benachbarter Stäbe oder gleich einem hehrfachen dieses Abstandes. Diese Ganghöhe sowie die Anordnung der Schraubenwindungen können "^rücksichtigung der Form und der Kenndaten des Brennstoffelements --e^:rndert werden. Die Anzahl und die Verteilung der Berührungspunkte können dadurch entsprechend den unterschiedlichen Köglichkei- " ten des Verliinderns einer Verformung vorgesehen v/erden.

Auf jeden Fall ist jeder der Brennelementstäbe dauernd an mehreren gleichmäßig über seine Länge und über seinen Umfang verteilten Berührungspunkten gestützt, was eine genaue Abstandshaltung ergibt. Außerdem ist die leichte Druckoder Spannkraft, die von den Federn an den Berührungspunkten auf die Stäbe ausgeübt wird, geeignet, die Vibrationen zu

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dämpfen und Deformationen des Brennstoffelements bereits im Entstehungszustand zu verhindern.

Schließlich ergibt der Drahtquerschnitt der Federn einen, außerordentlich kleinen Widerstand für die Kühlmediumströmung, so daß man eine gute Abfuhr der Wärme erhält.

Weitere andere Vorteile und Merkmale der Erfindung v/erden P sich überdies aus der folgenden Beschreibung eines, Ausführungsbeispiels ergeben, das zur Erläuterung der Erfindung ausgewählt . wurde und keinesfalls eine Beschränkung bedeutet. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht und teilweise aufgebrochen ein

Gehäuse eines Kernreaktor-Brennstoffelements, beidem die Erfindung angewendet ist;

Fig. 2 eine Aufsicht, teilweise aufgebrochen, auf die Trag-

und Stützroste zum Festlegen der Enden der Element-™ stäbe;

Fig. 5 in schematischer Darstellung eine Aufsicht auf ein Abstandhaltegitter der Elementstäbe;

Fig. 4 eine Seitenansicht des gleichen Abstandhaltegitters;

Fig. 5 mehrere unterschiedliche Varianten für die Anordnung der Schraubenfedern zwischen den Elementstäben.

Die Brennstoffelemente zahlreicher Kernreaktoren und ins- besondere der durch eine Flüssigkeit gekühlten Reaktoren enthalten meistens innerhalb eines Elementgehäuses 1 (Fig. 1) ein

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Bündel von Stäben 2, die einen atomaren Brennstoff, spaltbares •oder Brutmaterial enthalten und in zwei Endrosten 4 und 6 festgelegt sind. Das Gehäuse 1 begrenzt um die Stäbe herum eine-Strömungsführung für ein Kühlmedium. Das Gehäuse ist an seinem einen Ende über den Tragrost 4 hinaus durch einen kegelstumpfmantelförmigen Ansatz 12 verlängert, durch den das Kühlmedium eintritt.

Jeder der Trag- oder Stützroste 4 und 6 ist mit einer ge- f wissen Anzahl von Durchbrüchen 8 für das Hindurchfließen des Kühl- oder V/ärmetransportmediums versehen; zwischen diesen in regelmäßiger Anordnung vorgesehenen Durchbrüchen sind jeweils Ausnehmungen oder Bohrungen 10 zum Halten oder Einsetzen der Enden der Brennstoffstäbe 2 angeordnet; die Durchbrüche 8 haben - wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist - einen genügend großen Durchmesser, so daß sie das Eintreten des Kühlmediums in einen Raum zwischen Jeweils mehreren Stäben 2 gestatten.

Der kegelstumpfförrnige, an den unteren Rost 4 angeschweißte { Ansatz 12 erlaubt das Festlegen des Brennstoffelements in einer nicht dargestellten Sockelplatte des Reaktorkerns, die mit Öffnungen für das Einführen des wärmeaufnehmenden Mediums in die Brennstoffelemente versehen ist.

Am anderen Ende des Brennstoffelemente hat der Rost 6 seitliche Stützvorsprünge 7 zum Abstützen des Gehäuses 1 und trägt außerdem unterschiedliche Organe, wie einen Tragbügel zum Handhaben des Elements und Zentrierfedern 16 für das Zen-

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trieren dieses Elements in einer Gleitführung ir. "Reaktorkern.

Innerhalb des Gehäuses sind in regelmäßigen Abständen - zwischen den"Brennstoffstäben 2 Abstandhaltegitter derart eingebaut, daß sie den gleichmäßigen Abstand zv.'i sehen den Brennstoffstäben aufrechterhalten, sowie Vibrationen und Verformungen unterbinden, die sonst auftreten.könnten. Diese Abstandhaltegitter sind durch Abstandsgitter-Tragrahmen 20 in ihren jeweiligen Einbaulagen gehalten.

Gemäß der Erfindung hat jedes der Abstandheitegitter im Inneren des Gehäuses 1 (vgl. Pig. 3') einen Rahmen mit einem Querschnitt, der dem des Gehäuses angepaßt ist, d.h. bei den ausgewählten Ausführungsbeispiel die Form eines im Querschnitt quadratischen Rahmens, der aus vier paarweise einander gegenüber angeordneten Platten 22 und 23 besteht, die rr.it axial oder quer gerichteten Durchtrittsöffnungen 24 (Fig. 4) versehen sind, durch welche das wärmeabführende Medium hindurchtreten kann. Die vier Platten 22, 23 des Rahmens sind durch nach außen abgerundete Eckprofile 26 zusammengeharten.

Die jeweils einander gegenüberliegenden Platten 22 oder _Λ 23 tragen zumindest eine Lage von Schraubenfedern 28* 29* die parallel zueinander verlaufen und die Stäbe.2, zwischen._..-,.,, denen sie hindurchgeführt sind, berühren. Die beiden Lagen des Abstandhaitegitters, die auf diese Weise gebildet werden, lie- stehen demnach aus Lagen zueinander senkrechter Sohräubenfedern.

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Die Schraubenfedern sind außerdem in Längsrichtung der Stäbe 2 derart Gegeneinander versetzt, daß sie stets einen freien Abstand voneinander haben.

Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 hat die Schraubenlinie jeder Schraubenfeder 28, 29 eine Ganghöhe, die gleich dem Abstand zwischen den Achsen zweier benachbarter Stäbe 2 istj die Schraubenfeder ist derart zwischen, die Reihen von Stäben eingefügt, daß sie rr.it einem Gangbogen jeweils an den Stäben einer Reihe und der benachbarten Reihe in zwei symmetrischen Punkten tangential anliegt. Jeder Stab ist auf diese V/eise mit jeder Schicht von Schraubenfedern in drei Punkten in Berührung.

In jeder der Plattengruppen 22, 23 eines Halterahmens sind vorzugsweise noch Schraubenfedern einer zweiten Schraubenfederlage 30, 31 eingeschweißt, deren Schraubenlinien parallel zu den Schraubenlinien der ersten beiden Lagen ?, α .. ..-:. „"-ühraubenfedern 28, 29 sind, aber um eine halbe Ganghöhe in axialer Richtung versetzt. Jede dieser zweiten Sehraubenfederlagen mit den i Federn 30, 31 ist also mit jedem Stab des Brennstoffelements in drei Punkten in Berührung, die den Berührungspunkten mit den ersten Schraubenfederlagen diametral gegenüberliegen, aber in Richtung der Länge des Stabes 2 einen Abstand von den drei Punkten der ersten Lagen haben.

Die zueinander parallel verlaufenden Lagen aus den Schrauben- .federn 28 und 30 wechseln so mit zwei anderen Lagen aus den Schraubenfedern 29 und 31 ab, die in senkrecht zueinander ver-

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laufenden Richtungen liegen, während sie relativ zueinander in Ümfangsrichtung der Stäbe 2 versetzt an diesen anliegen.

Jeder Stab 2 ist infolgedessen mit den Federn, die ihn halten, in vier achsparallelen Reihen von Berührungspunkten in Berührungs-Verbindung, die gleichmäßig über seine Umfangsflache bzw. Mantelfläche verteilt sind.

fe Trotz ihrer großen Anzahl bilden die relativ dünndrähtigen-Schraubenfedern mit ihrem geringen Raumfüllfaktor zwischen den Stäben keinen nennenswerten Widerstand für die Strömung des Wärmetransport- oder Kühlmediums, das durch die Abstandhaltegitter hindurchströmt. Weiterhin haben die Schraubenfedern eine große Nachgiebigkeit und üben auf die Stäbe leichte, federnde Druckkräfte aus, was wesentlich zum Verhindern oder Dämpfen von Schwingungen beiträgt, die durch den Strömungsmittelumlauf angeregt werden könnten, und weiterhin eine wirksame Verhinderung von durch Strahlung bewirkbaren Deformationen gestattet.

Die Stäbe sind bei einer derartigen Abstandhaltegitter-Ausführung in ganz genau gleichen Abständen zueinander sicher gehalten, während das Kühl- oder Wärmetransportmedium frei umläuft .

Die Anzahl und die Verteilung der Abstandhaltegitter über die Länge der Brennstoffelemente lassen sich leicht derart wählen, daß man eine hohe Lebensdauer des Brennstoffelements erzielt.

Selbstverständlich könnten die Ganghöhe der Schraubenlinien 909850/0633

und die Verteilung der Schraubenfedern zwischen den Stäben jeweils entsprechend den gegebenen Bedingungen und den technischen Anforderungen geändert werden, denen das Brennstoffelement genügen muß.

Unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten sind beispielsweise schematisch in der Fig. 5 veranschaulicht:

Sehraubenfedern J52 und J54 mit einer Ganghöhe gleich dem Abstand zwischen den Achsen der Stäbe können zwischen diesen Stäben derart angeordnet werden, daß jede dieser Federn nur einen einzigen Berührungspunkt mit jedem Stab hat. Die Stäbe werden dann jeweils nur durch zwei Berührungs- oder Haltepunkte in jeder Schraubenfederlage gehalten. Eine abwechselnde Anordnung von Schraubenfederlagen mit senkrecht zu den Schraubenfedern der ersten gerichteten Schraubenfedern und das Versetzen der Schraubenlinien um jeweils eine halbe Ganghöhe in den Lagen mit gleichsinnig angeordneten Schraubenfedern ergeben jedoch acht Berührungspunkte an jedem Stab, womit ein wirksames und einwandfreies Festhalten zu erzielen ist.

Man könnte außerdem Schraubenfedern verwenden, deren Ganghöhe doppelt so groß ist wie der Achsabstand zwischen zwei benachbarten Stäben.

Die Sohraubenfedera haben dann jeweils entsprechend ihrer Anordnung, beispielsweise in der Anordnung der Federn 36» einen einzigen Berührungapunkt mit jedem der Stäbe oder bei der Anordnung geiaäfi der Schraubenfeder 42 nur einen Berührungspunkt

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mit einem von jeweils zwei Stäben.

Die Schraubenfedern sind, wie in der. Fall der Fig« 3, in vier übereinanderliegenden Lagen 36,57,38,359 oder 42,43,44,45 jeweils abwechselnd in zwei zueinander senkrechten Richtungen angeordnet und um. eine halbe Ganghöhe verschoben; sie liefern damit eine große Anzahl von Halte- und Stützpunkten in gleich- -. mäßig verteilten Richtungen. Bei.dem am wenigsten günstigen Fall halten die Schraubenfedern 42,43,44 und 45 jeden Stab in vier in seinem Umfang und seiner Längsrichtung verteilten Punkten im Bereich jedes Abstandsgitters. Dies kann in gewissen Fällen zum wirksamen Dämpfen der Schwingungen und Unterbinden der Deformationen genügen, zumal bei einer derartigen Ausführungsform die Strömungswiderstände oder Druckabfälle in der Kühlmittelströmung auf einen sehr kleinen Wert verringert sind.

^ Es dürfte für jeden Fachmann klar sein, daß andere abweichende Anordnungen ohne Verlassen des Rahmens der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden könnten; die Maß-Verhältnisse zwischen der Netsteilung der Brennstoffstäbe und der Ganghöhe der Schraubenfedern können jeweils entsprechend den Anforderungen des Einzelfalles geändert werden, ebenso die Anordnung der Schraubenfedern relativ zu den Stäben und auch die Anzahl der Schichten oder Lagen in jedem Abstandhaitegltter.

Claims (9)

Patentansprüche -J ft O 6 4 3 2

1. Abstandhaltegitter für ein Kernreaktor-Brennstoffelement,

mit einem Bündel von Stäben aus spaltbarem oder Brutmaterial, das in ein Gehäuse eingebaut und von zwei starren Endrosten gehalten ist, gekennzeichnet durch einen die Stäbe (2) umgebenden Rahmen, der zumindest eine Lage von zueinander parallelen Schraubenfedern (28,29, ;50 oder 31) trägt, f deren Windungen an den Stäben anliegen.

2. Abstandhaltegitter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere übereinander angeordnete Lagen von Sehraubenfedern (28,29,30,31)* welche die Stäbe (2) berühren, wobei die Schraubenfedern aufeinanderfolgender Lagen abwechselnd in zwei zueinander senkrechten Richtungen verlaufen und die Schraubenwindungen in den Lagen gleicher Ausrichtung um eine halbe Ganghöhe, gegeneinander versetzt sind.

3. Abstandhaltegitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Rahmen seitliche Durchtrittsöffnungen (24) für ein Kühlmedium aufweist.

4. Abstandhaltegitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen aus vier gelochten Platten (22,23) besteht, die durch abgerundete Winkelprofile (26) verbunden sind, und die zueinander parallelen Schraubenfedern (28,30 bzw. 29,31) in zwei einander gegenüberliegenden Platten festgelegt sind.

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5. Abstandhaltegitter nach Anspruch 2, dadurch ^ dcß es aus vier übereinanderliegenden Lagen von Federn besteht, von denen jeweils zwei (28,30 bzw. 29,31) in jeder der zueinander senkrechten Richtungen verlaufen.

6. Abstandhaltegitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5» gekennzeichnet, daß die Schraubenlinie jeder Feder (28, 31*32,3^) eine Ganghöhe gleich dem Achsenabstand der Brenn-stoffstäbe (2) hat.

7. Abstandhaltegitter nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch p-ekenn^eichnet, daß die Schraubenlinie jeder Schraubenfeder eine Genghöhe hat, die gleich dem doppelten Abstand zwlseJaero benachbarten Brennstoffstäben (2) ist.

8. Abstandhaltegitter nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schraubenfeder (32,3^33 ^bis 39) an jedem der Stabe (2) an einem Punkt anliegt und das Abstandhaltegitter insgesamt die Stäbe en jeweils acht Punkten berührt.

9. AbGtaridhaltegitter nach den Ansprüchen 5 und "J, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lage von Schraubenfedern (23) jeden Stab (2) in drei Punkten berührt und das gesamte Abstandhalte-Citter die Stäbe infolgedessen in je zwölf Punkten berührt.

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